Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка приемов биоремедиации замазученных сточных вод

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Разработка приемов биоремедиации замазученных сточных вод"

На правах рукописи

005007118

ГАЛЬПЕРИНА АЛИНА РАВИЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ПРИЕМОВ БИОРЕМЕДИАЦИИ ЗАМАЗУЧЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

03.02.08 Экология (биологические науки) 03.01.06 Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 ЯНВ 2012

Уфа-2012

005007118

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Прикладная биология и микробиология» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический

университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Сопрунова Ольга Борисовна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Логинов Олег Николаевич

доктор биологических наук, профессор Янкевич Марина Ивановна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Калмыцкий

государственный университет» (г. Элиста)

Защита состоится «27» января 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 002.136.01 при Институте биологии Уфимского научного центра РАН по адресу: 450054, г. Уфа, Проспект Октября, 69, тел/факс: 8(347) 253-62-47, e-mail: ib@anrb.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии Уфимского научного центра РАН, с авторефератом - в сети Интернет по адресу http://ib.anib.ru/sovet.html и на сайте ВАК Минобрнауки РФ

Автореферат разослан «1Ь » ^¿илСд^Л 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, / и

доцент / ^ Р.В. Уразгильдин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одними из приоритетных загрязнителей природных и сточных вод являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, бензина, керосина, масел и их различных примесей, которые по данным ЮНЕСКО относятся к числу наиболее опасных загрязнителей окружающей природной среды вследствие своей высокой токсичности и широкой распространенности (Оспанова, Халтурин, 2010)

Развитие экономики Астраханской области в последние десятилетия связано с интенсификацией деятельности предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, для которых характерно образование значительного количества нефтесодержащих отходов - сточных вод, нефтешламов. В настоящее время на территории Астраханской области имеется более 10 резервуаров-накопителей, содержащих около 350 тыс.т. высокотоксичных нефте- и мазутосодержащих сточных вод. В то же время, на территории области недостаточно предприятий, занимающихся очисткой и утилизацией высокотоксичных сточных вод и рекультивацией накопителей сточных вод.

В связи с этим, необходима разработка действенных мер по разрешению сложившейся ситуации в области экологически безопасного обезвреживания промышленных стоков ц отходов предприятий хранения и распределения нефтепродуктов.

Продукты переработки нефти, такие как мазут, битум, асфальт, минеральные масла, получаемые из тяжелых нефтяных фракций, и являющиеся биологически «жесткими» нефтепродуктами (Поконова, 1992; Турковская,

2001), представляют собой особую проблему, как для природной среды, так и для биологического разрушения. Несмотря на то, что исследованиям данного вопроса в последнее время посвящено достаточно много работ (Поконова, 1992; Грищенков, 1997; Крапов, 1998; Сидоров, 1998; Турковская, 2001; Янкевич, 2002; Сопрунова, 2005; Ак-ЬопЕотагшо, 1991; Яо{Геу, 1991; РЬо1,

2002) остаются мало изученными вопросы, связанные с разработкой методов детоксикации и очистки сточных вод, содержащих остаточные фракции мазута.

Целью диссертационной работы являлась разработка приемов биоремедиации замазученных сточных вод, образующихся при обезвоживании товарного мазута.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить гидрохимические показатели замазученных сточных вод резервуара-накопителя.

2. Выявить гетеротрофные (органотрофные) и фототрофные микроорганизмы сточных вод.

3. Изучить роль циано-бактериальных сообществ (аборигенных, коллекционных) в процессах очистки сточных вод.

4. Смоделировать комплексную многоступенчатую очистку замазученных сточных вод.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные (гидрохимические, гидробиологические и микробиологические) исследования резервуара-накопителя замазученных сточных вод, образующихся при обезвоживании мазута. Установлено, что в сточной воде резервуара-накопителя, представляющего собой экстремальную водную экосистему, характеризующуюся высоким содержанием органического вещества, нефтяных углеводородов и токсичностью, присутствуют представители различных физиологических групп микроорганизмов (протео-, углевод- и липолитические, автохтонные), осуществляющие процессы трансформации загрязняющих веществ сточных вод.

Из замазученных сточных вод резервуара-накопителя получена накопительная культура циано-бактериалыюго сообщества, эдификаторами которой являются цианобактерии: нитчатые Oscillatoria Woronichinii и одноклеточные Synechocystis salina.

Для моделирования процессов очистки замазученных сточных вод использованы циано-бактериальные сообщества: коллекционное на основе Oscillatoria amphibia и аборигенное на основе Oscillatoria Woronichinii и Sinechocystis salina.

Практическая значимость. Полученные результаты гидрохимических и микробиологических исследований замазученных сточных вод вошли в научно-технический отчет «Разработка концепции санации и рекультивации резевуара-накопителя замазученных сточных вод» (договор № 215-2007).

Полученные на основе проведенных комплексных исследований (гидрохимических, гидробиологических, микробиологических,

токсикологических) замазученных сточных вод резервуара-накопителя результаты могут служить основой для последующих экологических исследований подобного рода сооружений.

Проведенные экспериментальные исследования по моделированию процессов очистки замазученных сточных вод с использованием альго-бактериальных биоценозов на основе цианобактерии Oscillatoria Woronichinii, Sinechocystis salina и Oscillatoria amphibia и высших водных растений валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis), элодея канадская СElodea canadensis), ряска малая (Lemna minor) являются основой для разработки технологии биоремедиации и рекультивации водоемов-накопителей нефтезагрязненных и замазученных сточных вод предприятий переработки и транспортировки Астраханской области. Выделенное циано-бактериальное сообщество на основе Oscillatoria Woronichinii, Sinechocystis salina помещено в коллекцию кафедры «Прикладная биология и микробиология» Астраханского

государственного технического университета и используется в научно-исследовательских и учебных целях.

Личное участие автора. Автор провела аналитический обзор литературы, принимала непосредственное участие в исследовании резервуара-накопителя и постановке лабораторных экспериментов, обработке полученных экспериментальных данных, анализе и обобщении результатов исследований.

Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены большим объемом лабораторных экспериментов с применением современных и общепринятых методов. Результаты обработаны статистически.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских и Международных конференциях: «Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем» (Саратов, 2007), «Биотехнологические процессы в народном хозяйстве» (Астрахань, 2007), «Биология- наука XXI века», (Пущино, 2007, 2009), «Генетика микроорганизмов и биотехнология» (Москва, 2008), «Биогеохимия в народном хозяйстве: фундаментальные основы ноосферных технологий» (Астрахань, 2008), «Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем» (Астрахань, 2008), «Экология, природные ресурсы и развитие Московского региона» (Москва, 2009), «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ- 2010» (Астрахань, 2010), «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа» (Астрахань, 2010); программе Федерального агентства по делам молодежи «Зворыкинский проект» (Астрахань, 2010), интернет-турнире «Модернизация» Общероссийской общественной организации «Деловая Россия» и Интернет-компании UpSelf (Астрахань, 2010), конкурсе инновационных проектов 3-го Каспийского инновационного форума (Астрахань, 2011) и отмечены дипломом 1-й степени выставки «Образование -инвестиции в успех 2011» (Астрахань, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах. Состоит из введения, 4-х глав (обзор литературы, объекты и методы исследований, характеристика объекта исследований, экспериментальные исследования), заключения, выводов, списка литературы, включающего 180 источников, в том числе 36 зарубежных. Работа иллюстрирована 47 рисунками и 28 таблицами.

Глава 1. Особенности процессов самоочищения природных и очистки сточных вод от нефтяных углеводородов (обзор литературы)

В обзоре литературы проанализированы пути попадания нефтяных углеводородов в водную среду и их влияние на водные экосистемы. Рассмотрено участие всех групп гидробионтов, вовлеченных в процессы самоочищения водных объектов от нефти и нефтепродуктов. Наиболее подробно изложены вопросы, касающиеся интенсификации процессов самоочищения и биологической очистки сточных вод от нефтяных и мазутных загрязнений. Особое внимание уделено применению циано-бактериальных сообществ и высших водных растений.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Объектами исследований являлись: 1) замазученные сточные воды резервуара-накопителя нефтебазы, расположенной в Приволжском районе г. Астрахани; 2) аборигенная микробиота замазученных сточных вод; 3) циано-бактериальные сообщества (ЦБС), выделенные из исследуемых замазученных сточных вод и ЦБС из коллекции кафедры «Прикладная биология и микробиология» АГТУ; 4) модельные лабораторные экосистемы (микрокосмы), созданные на основе замазученных сточных вод.

Исследования гидрохимических, гидробиологических,

микробиологических и токсикологических показателей сточных вод резервуара-накопителя и модельные эксперименты осуществлялись в 20072010 г. г.

Отбор проб замазученных сточных вод и гидрохимические исследования осуществляли в соответствии с требованиями общепринятых методик (Лурье, Рыбникова, 1974; Унифицированные методы анализа вод СССР, 1978; ГОСТР 51592-2000).

Циано-бактериальные сообщества из замазученных сточных вод выделяли методом накопительных культур (Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике, 1975) с использованием среды BG-11 (Нетрусов, 2005). Видовую идентификацию цианобактерий проводили с использованием определителя (Голлербах, 1953).

Выделение аборигенных микроорганизмов го замазученных сточных вод, микроорганизмов-спутников цианобактерий, эпифитной микрофлоры высших водных растений осуществляли методом Коха на твердые питательные среды (Теппер, 2004): сапротрофов - мясо-пептонный агар (МПА); сахарозолитиков - агар Чапека; автохтонной микрофлоры - агар на основе сточной воды; глюкозолитиков - глюкозо-аммонийную среду (Нетрусов, 2005). Выделение органотрофных бактерий осуществляли на среде 1 следующего состава (г/л) (Митыпова, 2007): КН2Р04-0,2; MgCl2-6H20-0,l; NH4Cl-0,5; КС1-

0,2; дрожжевой экстракт-0,05, раствор микроэлементов по Витману - 1 мл/л, агар - 20. В качестве субстратов вносили (%): для протеолитиков - пептон (1,5); амилолитиков - крахмал (1,5); целлюлолитиков - полоску фильтровальной бумаги (1,0); липолитиков - твин-40 (1,5); бродилыциков - глюкозу (1,5); сульфатредуцирующих бактерий (г/л) - Na2S04-10H20-3,0; Na2S-9H20-0,05; лактат, ацетат в концентрации 3 г/л.

Моделирование процессов очистки проводили с использованием замазученных сточных вод в 2-х вариантах: 1) двухступенчатая (фильтрация и внесение ЦБС, иммобилизованных на инертном носителе); 2) комплексная (фильтрация; принудительное аэрирование; внесение ЦБС, иммобилизованных на инертном носителе; внесение высших водных растений).

Концентрацию суммарных нефтяных углеводородов (СНУ) определяли флуорометрическим методом с использованием анализатора жидкости «Флюорат - 2» (ПНД Ф 14.1:2:4.128-98).

Концентрацию полиароматических углеводородов (ПАУ) определяли с использованием газового хроматографа GC-17A SHIMADZU (Другов, Родин, 2000).

Определение токсичности замазученных сточных вод и воды модельных экосистем проводили по следующим методикам: 1) определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний (Жмур, 2001); 2) методика биотестирования по проращиванию семян (СанПиН 2.1.7.573-96). Установление класса опасности сточных вод осуществляли на основе острого краткосрочного опыта с использованием 2-х тест-объектов различных систематических групп (Приказ МПР РФ № 511 от 15 июня 2001): Daphnia magna Straus, Scenedesmus quadricauda (Тиф.) Breb.

Статистическую обработку данных микробиологических, химических и токсикологических исследований проводили с помощью программы STATISTICA 6,0; программы Microsoft Excel Office ХР.

Глава 3. Экологическая характеристика объекта исследований

Исследуемые замазученные сточные воды образуются в процессе обезвоживания мазута и включают отходы эмульсий и смесей нефтепродуктов, в том числе воду, загрязненную нефтепродуктами, подсланевые и подтоварные воды. Накапливаются замазученные сточные воды в резервуаре-накопителе, который представляет собой искусственную емкость округлой формы (диаметром около 35 м), выложенную из кирпича в 50-х гг. 20 в. максимальной глубиной 4-6 м, расположенном на территории нефтебазы в Приволжском районе г. Астрахани.

При определении гидрохимических показателей установлено, что для замазученных сточных вод поверхностного горизонта (0,5 м) резервуара-

накопителя отмечается превышение ПДК для воды поверхностных водоемов: хлорид-ионы (674 мг/дм ) в 1,9 раза; сульфат-ионы (920 мг/дм3) в 1,8 раза; нефтяные углеводороды (76,4-82,9 мг/дм3) в 276 раз; бенз(а)пирен (0,0000326 мг/дм3) в 32,6 раза. Отмечено превышение нормативов (СанПиН 2.1.5.980-00) по окраске вод в 128 раз; ХПК (1440 мг О/дм3) - 96 раз; а также низкое (в 25 раз ниже нормы) содержание растворенного кислорода (0,16 мг/ дм3).

Определение токсичности замазученных сточных вод с использованием в качестве тест-объекта Daphnia magna Straus показало, что исследуемая сточная вода обладает ярко выраженным токсическим эффектом (0,51%-ная концентрация (разбавление в 196 раз) вызывает гибель 50% тест-объектов за 96 часов экспозиции (ЛКР50.9б); 0,031%-ная концентрация (разбавление в 3225 раз) вызывает гибель не более 10% тест-объектов за 96 часов экспозиции (БКРю_9б) и не может быть сброшена в открытые водоемы, т.к. представляет серьезную угрозу для гидробионтов.

Биотестирование по проращиванию семян редиса показало, что средняя длина корней растений в опыте составила 41% по отношению к контролю, что свидетельствует о явном ингибирующем действии на растения и отсутствии возможности сброса исследуемых стоков на земледельческие поля орошения.

При биотестировании с использованием в качестве тест-объекта Daphnia magna Straus установлено, что замазученные сточные воды относятся к сильнозагрязненным, класс опасности - второй (высокоопасные отходы), что предполагает отсутствие возможности их сброса, как в водоемы, так и на земледельческие поля орошения.

Микробиота замазученных сточных вод резервуара-накопителя представлена, как гетеротрофными, так и автотрофными (цианобактерии) организмами. Среди гетеротрофов в сточных водах выявлены (рис.1) представители различных физиологических групп. Отмечено, что распределение численности физиологических групп микроорганизмов в поверхностном (0,5 м) и срединном (3,0 м) горизонтах сходно: максимальную численность (до 105 КОЕ/мл) составляют протео-, амило-, сахарозо-, глюкозолитические и сульфатредуцирующие микроорганизмы.

При прямом микроскопировании проб замазученных сточных вод обнаружены единичные клетки одноклеточных (Synechocystis salina) и нитчатых (Oscillatoria Woronichinii, Phormidium dimorphum) цианобактерий.

Выделение цианобактерий из сточных вод методом накопительной культуры на среде BG-11 при постоянном освещении 300-500 лк при температуре 20-25°С проводили до появления характерных признаков роста цианобактерий (наличие рыхлых обрастаний темно-зеленого цвета), эдификаторы накопительной культуры представлены нитчатыми (Oscillatoria Woronichinii) и одноклеточными (Synechocystis salina) цианобактериями; отмечено присутствие Phormidium dimorphum. Среди микроорганизмов-

спутников в гликокаликсе цианобактерий присутствуют микроорганизмы различных физиологических групп (рис. 2).

6 т л с 1 ^ 1 44 Ч\ ЧЧ чЧ'

I 5~ 5 « -1 чЧ' чЧ' Л.Ч 1 44 44 44 ЧЧ 44 44 \ч ,44 44 44 ЧЧ ,44 .44 44 ! ЧЧ ЧЧ' 44 ЧЧ ЧЧ 44 чч-чч-ч\ ЧЧ' ЧЧ" ЧЧ' 44' чЧ' чЧ' 1

а о |ы 3 -1 О га , л ел Р1 ^ V 1 ! ■ 1 0 44' 44' ~ чч ЧЧ' чч" ~ чч-ЧЧ' ч\ч чЧ' чЧ' чЧ' ■.••■:■ чЧ' 00 чЧ' чЧ' чЧ-1 чЧ' чЧ' 1 чЧ4 ч4> чЧ"- чЧЧ чЧЧ ч4"-чЧ4 чЧ4 1 .44 .44 .44 .44 .44 .44 .44 .44 1 ЧЧ \\ ЧЧ ЧЧ ЧЧ 44 44 ЧЧ ЧЧ ЧЧ ЧЧ ЧЧ' 44 44' чЧ' ЧЧ' 44' 44' 44' ЧЧ' I чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' чЧ' гг ч4> Ч4> 00« ччч чЧ4 чЧ> чЧ> чЧЧ чЧ-« II

Сапрот рофы Протео лшичес кие Деялюл эзолиги ческие \милол етическ ие Сахароз элитиче ские Глюкоз элитиче ские эродил ьщики Липоли тически е "ульфа федукт оры Автохт онные

В Поверхностный горюонт (0,5 м) 3 5,3 3,7 5,2 5,4 5,2 4,6 3,2 5,5 3,3

И Срединный горизонт (3,0 м) 3 5,2 3,8 5 5,2 _1 5 | 4,9 2,9 5,3 4

Рис. 1. Физиологические группы микроорганизмов в сточной воде резервуара-накопителя.

Рис 2. Физиологические группы микроорганизмов-ассоциантов накопительной культуры ЦБС.

Преобладающими по численности (до 105-10б КОЕ/г) являются сапротрофы, протео-, амило- , глюкозо- и сахарозолитические; минимальной

численностью (до 102-Ю3КОЕ/г) - липолитические, автохтонные и целлюлозолитические микроорганизмы.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют рассматривать резервуар-накопитель замазученных сточных вод как экстремальную водную экосистему, характеризующуюся высоким содержанием органического вещества, нефтяных углеводородов и токсичностью. Наличие в замазученных сточных водах как автотрофных, так и гетеротрофных микроорганизмов, усваивающих легко гидролизуемые полимеры, олигомеры (пептон, крахмал, сахароза) и мономеры (глюкоза), гидролизующих более сложные соединения (белки, жиры, целлюлозу и автохтонное органическое вещество), говорит о высокой самоочищающей способности альго- и микрофлоры и возможности применения биологических способов интенсификации очистки исследуемых сточных вод.

Глава 4. Моделирование процессов очистки замазученных сточных вод

Подбор субстрата для иммобилизации ЦБС (аборигенного на основе Synechocystis salina, Oscillatoria Woronichinii и коллекционного на основе Oscillatoria amphibia), проведенный среди инертных носителей (пеноизол, пенопласт, поролон и стекловолокно) показал, что наиболее подходящим для закрепления, роста и развития цианобактерий является поролон. Установлено, что максимально интенсивно развивающиеся в микроэкосистемах на основе замазученной сточной воды иммобилизованные на поролоне ЦБС (аборигенное на основе Synechocystis salina, Oscillatoria Woronichinii и коллекционное на основе Oscillatoria amphibia) способствуют максимальному обесцвечиванию сточных вод (увеличение светопроницаемости до 65%, при светопроницаемости исходных замазученных сточных вод - 0,23 %), которые и были отобраны для дальнейших исследований.

Экспериментальные исследования по изучению роли циано-бактериальных сообществ в процессах очистки замазученных сточных вод

Изучение роли циано-бактериальных сообществ в активизации процессов очистки замазученных сточных вод проводили в модельных экспериментах, для чего в стеклянные аквариумы (30 л) вносили по 10 л предварительно отфильтрованных через песчаный фильтр исследуемых сточных вод и циано-бактериальные сообщества, иммобилизованные на поролоне: микроэкосистема 3 - накопительная культура аборигенного ЦБС на основе Oscillatoria Woronichinii и Synechocystis salina, выделенного из накопителя сточных вод; микроэкосистема 2 - коллекционное ЦБС на основе Oscillatoria amphibia. Контроль - микроэкосистема 1 с отфильтрованной через песчаный фильтр сточной водой. Продолжительность эксперимента - 35 суток, контрольные точки - 10-е, 20-е и 35-е сутки

Для замазученных сточных вод, используемых в эксперименте отмечены ' высокие показатели бихроматной (1440 мг О/дм3) и перманганатной (276 мг О/дм3) окисляемости; содержания растворенного органического вещества (852 мг/дм3) и суммарных нефтяных углеводородов (82,9 мг/дм3). Превышение предельно допустимой концентрации по суммарным нефтяным углеводородам составляет 276 ПДК, по бенз(а)пирену - 32 ПДК.

В ходе экспериментальных исследований отмечена убыль суммарных нефтяных углеводородов на всех этапах очистки и во всех вариантах модельных экосистем. В целом, по окончании эксперимента убыль составила (%): в контроле (микроэкосистема 1) - 92,7; при внесении аборигенного сообщества на основе Oscillatoria Woronichinii и Synechocystis salina (микроэкосистема 3) - 94,2; коллекционного сообщества на основе Oscillatoria amphibia (микроэкосистема 2) - 95,7.

Установлено, что соотношение пирогенных полиаренов (пирен и банз(а)пирен) к полиаренам биогеохимического фона (фенантрен и хризен) (Немировская, 2000) в воде микроэкосистем с внесением коллекционного ЦБС по окончании экспозиции составляет 0,46, что значительно ниже 1, и свидетельствует о способности сообщества на основе Oscillatoria amphibia максимально снижать антропогенное влияние ПАУ.

Сопоставление содержания «мягких» и «жестких» органических загрязнений по определению химического потребления кислорода перманганатным и бихроматным методами (Лурье, Рыбникова, 1974) показало, что, по окончании эксперимента максимальное снижение данного соотношения (1:2,4) характерно для микроэкосистем с внесением коллекционного ЦБС на основе Oscillatoria amphibia при более интенсивном снижении бихроматной окисляемости (85%). Максимальное снижение содержания растворенного органического вещества (РОВ) отмечено также во 2-й микроэкосистеме- 74%; тогда как в 3-й микроэкосистеме - 66% и в воде контрольной микроэкосистемы - 57%.

Кроме этого; отмечено интенсивное обесцвечивание сточных вод при внесении циано-бактериальных сообществ: в микроэкосистеме 3 (Oscillatoria Woronichinii и Synechocystis salina) - на 86 %, в микроэкосистеме 2 (Oscillatoria amphibia) - 85% тогда как в контроле - 36%.

При изучении микробного состава воды по окончании эксперимента во всех микроэкосистемах установлено снижение численности органотрофов (протео-, целлюлозо- и амилолитических), связанное, вероятно, с уменьшением содержания органического вещества: снижение ХПК на 24-85%, СНУ - 92,795,7% и РОВ - 74-57%. Для автохтонных микроорганизмов, имеющих большее сродство к субстрату сточных вод, по окончании эксперимента характерно увеличение их численности на 2 порядка в микроэкосистемах с внесением циано-бактериальных сообществ (рис. 3).

экспериментальных модельных экосистем.

Биотестирование воды модельных экосистем по окончании экспозиции по прорастанию семян редиса (СанПиН 2.1.7.573-96) показало, что вода в контроле (микроэкосистема 1) оказывает ингибирующее действие на семена редиса, а вода микроэкосистем с внесенньми ЦБС не угнетает роста тест-объектов.

Таким образом, наиболее эффективным в процессах очистки (снижение содержания суммарных нефтяных углеводородов до 95,7%) является коллекционное циано-бактериальное сообщество, эдификатором которого является Oscillatoria amphibia. В то же время, следует отметить, что наибольшую эффективность в обесцвечивании сточных вод (83%) проявило аборигенное сообщество, выделенное из сточных вод резервуара-накопителя.

Моделирование комплексной очистки замазученных сточных вод

Для определения возможных приемов комплексной очистки замазученных сточных вод поставлен модельный эксперимент, включающий следующие этапы: 1) фильтрацию через песчаный фильтр; 2) принудительное аэрирование; 3) внесение циано-бактериальных сообществ, иммобилизованных на инертном носителе; 4) внесение высшей водной растительности. Для постановки модельных экосистем использовали стеклянные аквариумы, куда вносили по 15 л пропущенной через песчаный фильтр сточной воды. Принудительное аэрирование осуществляли с использованием компрессора (Air - 2001, Китай) в течение 10 сут. Затем в аквариумы вносили циано-

бактериальные сообщества (20 г), иммобилизованные ка инертном носителе (поролон): накопительную культуру аборигенного ЦБС на основе Oscillatoria Woronichinii и Sinechocystis salina, выделенного из сточных вод накопителя (микроэкосистема 3) и коллекционное ЦБС на основе Oscillatoria amphibia (микроэкосистема 2). Экспонирование микроэкосистем с циано-бактериальными сообществами продолжалось в течение 40 сут. Затем циано-бактериальные сообщества были удалены и в микроэкосистемы вносили высшие водные растения (ЕВР): валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis); элодея канадская (Elodea canadensis■); ряска малая (Lemna minor). Экспонирование микроэкосистем с ВВР продолжалось в течение 30 сут.

Общая продолжительность эксперимента составила 80 суток. Контролем служила модельная экосистема с отфильтрованной через песчаный фильтр сточной водой (микроэкосисгема 1).

Замазученные сточные воды резервуара-накопителя, используемые в эксперименте, характеризуются высокими показателями бихроматной (2520 мг О/дм3) и перманганатной (362 мг О/дм3) окисляемости; содержания растворенного органического вещества (728 мг/дм3); суммарных нефтяных углеводородов (76,4 мг/дм3). Превышение предельно допустимой концентрации по суммарным нефтяным углеводородам составляет 255 ПДК, по бенз(а)пирену - 32 ПДК.

В ходе экспериментальных исследований отмечена убыль суммарных нефтяных углеводородов на всех этапах очистки и во всех вариантах модельных экосистем: в контроле (микроэкосистема 1) - 82,0%; в микроэкосистеме 2 - 91,3%; в микроэкосистеме 3 - 91,9%.

Убыль общего содержания ПАУ в микроэкосистеме 2 составила 94,0%; микроэкосистеме 3 - 89,9%; микроэкосистеме 1 (контроль) - 0,2%. Это свидетельствует о том, что последовательное внесение ЦБС на основе нитчатых цианобактерий Oscillatoria amphibia и ВВР (валлиснерия спиральная, элодея канадская, ряска малая) (микроэкосистема 2) способствует максимальной интенсификации процессов очистки сточных вод от полиароматических углеводородов.

При этом, установлено, что в микроэкосистемах с ЦБС и ВВР процесс разложения органических веществ происходит в целом интенсивнее, максимальное снижение перманганатной и бихроматной окисляемости отмечено в микроэкосистеме 2 - 77 и 74 % (соотвественно); в микроэкосистеме 3 - 66 и 77 % (соответственно); контрольной микроэкосистеме 1 - 61% и 75 % (соотвественно). Снижение содержания РОВ составило: микроэкосистема 2 -66%, микроэкосистема 3 - 55% и контроль - 38%.

Максимальное снижение оптической плотности сточных вод в экспериментальных исследованиях отмечено при внесении циано-

бактериальных сообществ - в микроэкосистеме 2 на 71%; в микроэкосистеме 3 - 68%; контрольной микроэкосистеме 1 - 8% (рис. 4). _

1,81.6 "

« о о о ■X и 1,4 - —■— X \Ч \ \ ——♦-

и л Z * Ь i 1,2 " 'Л - -

В С © u 1 -

к Р X ° i i 0,8 - - . *s

» 1 s 1 0,6 -| _^

0,4 -j

0,2 -

0 -

Исходная вода После фильтрации После аэрации (10 сутки) После внесения ЦБС (50 сутки) После внесения ВВР (80 сутки)

—Микроэкосистема 1 1,52 1,46 1,562 1,5 1,4

—Микроэкосжтема 2 1Д2 1,46 1,562 0,98 0,442

- -ic ■ Микроэкосистема 3 1,52 1,46 1,562 0,79 0,498

Рис. 4. Динамика оптической плотности воды экспериментальных экосистем.

Изучение видового состава циано-бактериальных сообществ при экспонировании модельных экосистем со сточной водой показало, что в иммобилизованных на поролоне сообществах, как во 2-ой, так и в 3-ей экосистемах доминирующие виды цианобактерий аналогичны видам во вносимых на первоначальном этапе сообществах: в микроэкосистеме 2 -Oscillatoria amphibia, в микроэкосистеме 3 - нитчатые Oscillatoria Woronichinii и одноклеточные Sinechocystis salina. В то же время, на поверхности стенок-сосудов в 3-ей микроэкосистеме сформировались скудные обрастания, эдификаторами которых являлись нитчатые цианобактерии Phormidium dimorphum, единичные клетки которых присутствовали в составе замазученных сточных вод.

Анализ численности исследуемых групп микроорганизмов в модельных экосистемах показал, что с внесением ЦБС отмечается превалирование численности микроорганизмов в тяжах цианобактерий (рис. 5) в сравнении с водной фракцией модельных экосистем.

Протео

Целдю лолити

Сахаро золити

Амило

Глюкоз олигак

Сапрот рофы

Бродил ьщики

литичес

лигачгс

ческие

Автохт онные микроо

Липоли Сульфа

гически тредукт

е оры

3 3,9

3,3 4,6

аборигенное ЦБС на основе Oscillatoria Woronichinii и Synechocystis salina Рис. 5. Физиологические группы микроорганизмов в экспериментальных экосистемах.

коллекционное ЦБС на основе Oscillatoria amphibia

J Сульфа ¡тредукг \ оры

Автохт онные

_ I Протео Сапротр

[ литичес

Целлюл олигиче ские

Амилол

Сахароз; олигиче окне

Брод иль шики

Липолиг!

Глюкоз

итическ)

ические

олигики

микроор

Данное явление, отмеченное ранее (Дзержинская, 1992, 1993; Сопрунова, 1998, 2005), показывает, что специфическое строение цианобактерий (нитчатое строение, наличие полисахаридного чехла) способствует иммобилизации микроорганизмов как внутри тяжей, так и вокруг них, что позволяет циано-бактериальным сообществам создавать зоны повышенной активности деградации различных загрязнений.

Кроме этого установлено, что численность микроорганизмов-спутников, присутствующих в сформировавшихся в замазученных сточных водах ЦБС, отличается от показателей численности накопительныхи культур, используемых в эксперименте (рис. 6).

Эти особенности согласуются с данными, полученными ранее при исследовании процессов деструкции трудноразлагаемых соединений в сточных водах целлюлозно-бумажной промышленности (Дзержинская, 1992, 1993), газо-химического комплекса (Сопрунова, 1998). Это доказывает, что при вселении биоценозов на основе цианобактерий в сточные воды различных производств в каждом из них формируется своеобразный состав ассоциантов, направленный на деградацию загрязнений различного рода (Дзержинская, 1993).

При сопоставлении численности исследуемых групп микроорганизмов, присутствующих в воде и в перифитоне ВВР установлено, что в микроэкосистемах 2 и 3 микроорганизмы перифитона растений также превышают численность микроорганизмов в воде (рис. 7). При этом, для автохтонной микрофлоры, присутствующей в перифитоне, характерно превышение численности на 2 порядка в сравнении с водой модельных экосистем.

Биотестирование воды в микроэкосистемах по окончании экспозиции с использованием Daphnia magna Straus показало, что при внесении коллекционного ЦБС на основе Oscillatoria amphibia и ВВР происходит снижение класса опасности сточных вод со второго (высокоопасные отходы) до четвертого (малоопасные отходы).

Таким образом, на основании проведенных экспериментальных исследований выявлено, что последовательное внесение в замазученные сточные воды коллекционного ЦБС на основе Oscillatoria amphibia и ВВР способствует существенному снижению содержания нефтяных углеводородов, органического вещества и токсичности.

Суль фатре дукто

Глюк j Брод Лило ОЗОЛИ j ИЛЬЩ jjHTHH тичес ; ики еские

Амил

хтанн

озоли

кшол

олити

олти

чески

итиче

чески

ja Накопительная культура g Сообщество в эксперименте

коллекционное ЦБС на основе Oscillatoria amphibian (микроэкосистема 2)

Автох

Броди | льщи i

Проте J Целл олити ¡ кшол

тонны

озоли

литич

олити

озоли

еские

дукто

тичес

итиче

чески

тичес

чески

□ Накопительная культура

И Сообщество в эксперименте

аборигенное ЦБС на основе Oscillatoria Woronichinii и Synechocystis salina (микроэкосистема 3) Рис. 6. Физиологические группы микроорганизмов-спутников цианобактерий.

Сульфат редукто

Автохто иные

Липолиг

Брояияь щики

Сахароз одаггики

Глюкозо лигики

Амиполи тики

Целлюл олигики

Протеол игики

Сапротр

И Ряска

И Элодея

И Валиенерия

микроэкосистема 2

Сульфат редукто

Автохто иные

Липолиг

Бродиль щики

Сахароз олитики

Глюкозо лигики

Амидол игики

Целлюл олигики

Сапротр

Протеол итики

О Ряска

В Элодея

Ш Валлиснерия

микроэкосистема 3 Рис. 7. Физиологические группы микроорганизмов в микроэкосистемах после экспонирования высших водных растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях современного развития промышленности деятельность многочисленных предприятий по хранению и распределению нефтепродуктов приводит к образованию большого количества сточных вод и нефтезагрязненных жидких отходов, характеризующихся разнообразием и сложностью состава. При их очистке наряду с индустриальными методами следует использовать и биологические способы, т.к. процессы самоочищения загрязненных водоемов и очистка стоков имеют преимущественно биологическую основу (Винберг, 1966 и др.; Кравец, 1974; 1976) и способствуют биологическому оздоровлению окружающей среды.

При изучении эффективности двухступенчатой (фильтрация —► внесение ЦБС, иммобилизованных на инертном носителе) и комплексной (фильтрация —> принудительное аэрирование —> внесение ЦБС, иммобилизованных на инертном носителе —> внесение ВВР) очистки замазученных сточных вод в модельных экспериментальных исследованиях установлено интенсивное снижение содержания суммарных нефтяных углеводородов, полиароматических углезодородов, растворенного органического вещества, химического потребления кислорода, как при внесении биологических агентов очистки (ЦБС и ВВР), так и при участии аборигенного микробиоценоза сточных вод. При этом, отмечено, что в процессе фильтрации происходит снижение содержания нефтяных углеводородов на 49,4-60%, что связано с удалением из сточных вод нерастворимой фракции нефтяных углеводородов. В процессе аэрации сточных вод, сопровождающейся насыщением воды кислородом, отмечено снижение содержания нефтяных углеводородов на 2025%. Дальнейшее снижение концентрации нефтяных углеводородов в экспериментальных микроэкосистемах за счет деятельности аборигенного микробиоценоза составило 8,5-43,3%. Несмотря на то, что внесение ЦБС и ВВР активизирует деградацию нефтяных углеводородов лишь на 3,0-4,1% и 3,5% соответственно, основным преимуществом как ЦБС, так и ВВР является интенсивное обесцвечивание сточных вод (снижение оптической плотности на 50-63% по сравнению с контролем) и уменьшение токсичности (снижение класса опасности отходов со второго до четвертого).

Отмечено, что сточные воды, очищенные двухступенчатым методом способны стимулировать рост растений, и могут быть сброшены на поля фильтрации. Очистка комплексным методом приводит к уменьшению острой токсичности сточных вод и снижению класса опасности сточных вод, но при этом очищенные воды угнетают рост растений. Таким образом, очищенные многоступенчатым методом стоки могут быть сброшены в водоем при соответствующем (1:7,4) разбавлении.

В целом, использование в качестве агентов очистки представителей фототрофных организмов (цианобактерий, высших водных растений)

способствует повышению эффективности детоксикации и биоремедиации (биологическому оздоровлению) очищаемых стоков, и в зависимости от способа дальнейшего размещения очищенных стоков (сброс на рельеф или в водоем) можно рекомендовать как двухступенчатую, так и комплексную очистку в качестве основы для разработки методов биологической очистки замазученных сточных вод.

ВЫВОДЫ

1. Определение гидрохимических параметров замазученных сточных вод резервуара-накопителя показало присутствие в них высокого содержания тяжелоокисляемых органических веществ: нефтяных углеводородов - 76,4-82,9 мг/дм3, ПАУ - 1610,9 нг/д3; ХПК - 276-1440 мг 02/дм3; высокая оптическая плотность - 2,08 и токсичность (II класс опасности отходов).

2. В составе замазученных сточных вод превалируют аборигенные гетеротрофные микроорганизмы (КОЕ/мл): липолитики (1,5*103), амилолитики (1,7*10), протеолитики (2,2*105), сахарозолитики (2,4*105), сульфатредукторы (1,4*105), глюкозолитики (1,5*105), бродилыцики (4,6*104), целлюлолитики (5,0* 103), сапротрофы (З,0*103), олиготрофы (2,0*103).

3. Фототрофные организмы замазученных сточных вод представлены единичными клетками Oscillatoria, Sinechocystis, Phormidium. Методом накопительной культуры из замазученных сточных вод выделено альго-бактериальное сообщество, эдификаторами которого являются цианобактерии родов Oscillatoria, Sinechocystis.

4. При изучении роли циано-бактериальных сообществ в очистке замазученных сточных вод установлено, что наибольшей эффективностью обладает циано-бактериальное сообщество на основе Oscillatoria amphibia, что проявляется в снижении содержания нефтяных углеводородов в целом на 95,7%; окисляемости перманганатной - 69% и бихроматной - 85%; содержании РОВ-74%.

5. При моделировании многоступенчатой очистки замазученных сточных вод (фильтрация—»-принудительное аэрирование—»внесение циано-бактериальных сообществ, иммобилизованных на инертном носителе-»внесение высшей водной растительности), выявлено, что наиболее эффективным является использование циано-бактериального сообщества на основе Oscillatoria amphibia и высших водных растений валлиснерии спиральной (Vallisneria spiralis), элодеи канадской (Elodea canadensis), ряски малой (Lemna minor), способствующее снижению содержания нефтяных углеводородов в целом на 91,3%, ПАУ - 94% и РОВ - 66%; перманганатной окисляемости - 77%; оптической плотности сточных вод - 71%, класса опасности отходов со II (высокоопасные) до IV (малоопасные).

6. Установлено, что внесение циано-бактериальных сообществ и высшей водной растительности в замазученные сточные воды способствует увеличению в гликокаликсе цианобактерий и в перифитоне ВВР в сравнении с водной средой на 2 порядка численности автохтонных (аборигенных) микроорганизмов, имеющих большее сродство к субстрату сточных вод, что создает зоны повышенной активности деградации загрязняющих соединений замазученных сточных вод.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Сопрунова О.Б., Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Нефтяное загрязнение морских вод и альго-бактериальные сообщества // ЮжноРоссийский вестник геологии, географии и глобальной энергии: Изд-во АГУ, 2003, №3. - с.198-199.

2. Сопрунова О.Б., Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Экспериментальное изучение процессов деструкции нефти альго-бактериальными сообществами // Экология и научно-технический прогресс: Матер. 2-ой межд. научно-практ конф. - Пермь, 2003,- с.209-210.

3. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Сообщества нефтеокисляющих микроорганизмов вод Северного Каспия // Сборник научных статей «Наука: Поиск 2003», Астрахань, 2003, выпуск 1. - с.205 - 207.

4. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Альго-бактериальные сообщества в процессах самоочищения водной среды от нефтепродуктов // Тезисы докладов X Всероссийской студенческой научной конференции «Экология и проблемы защиты окружающей среды», Красноярск, 2003. - с.80 - 81.

5. Сопрунова О.Б., Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Бактериальный и грибной компоненты цианобактериалышх ценозов, сформировавшихся в присутствии нефти и нефтепродуктов // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2005. - с.211-214.

6. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Ассоцианты сообществ на основе цианобактерий, развивающихся в присутствии нефти // Сборник научных студенческих работ Второго Всероссийского конкурса студенческих работ, посвященный 200-летию Московского общества испытателей природы, Москва, 2005. - с.426-428.

7. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Некоторые аспекты получения чистых культур цианобактерий Материалы международной конференции, посвященной 75-летию Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова «Грибы и водоросли в биоценозах», Москва, 2006. - с.131-132.

7. Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Перспективные направления разработки биологических методов очистки экосистемы Северного Каспия от нефтяных углеводородов // Материалы Всероссийской конференции

аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование», Ярославль, 2006. - с.285-289.

8. Сопрунова О.Б., Сайфутдинова (Гальперина) А.Р. Циано-бактериальные сообщества в условиях моделирования нефтяного загрязнения // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем», Саратов, 2007. - с.31.

9. Гальперина А.Р. Циано-бактериальные сообщества в практике охраны водных экосистем от нефтяных углеводородов // Тезисы 11-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущино, 2007. - с. 113.

10. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Особенности аборигенной микрофлоры замазученных сточных вод // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2008, №5. - с.33-35.

11. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Аборигенная микрофлора замазученных сточных вод в практике охраны водных экосистем от нефтяных углеводородов // Тезисы российской школы-конференция «Генетика микроорганизмов и биотехнология», посвященная 40-летию института ГосНИИгенетика, Москва - Пущино, 2008. - с.120-121.

12. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Аборигенная микрофлора замазученных сточных вод // Тезисы 12-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «Биология — наука XXI века», Пущино, 2008. -с.200.

13. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Биогеохимические функции микроорганизмов в водных техногенных экосистемах // Материалы 6-й международной биогеохимической школы «Биогеохимия в народном хозяйстве: фундаментальные основы ноосферных технологий», Астрахань, 2008. - с.77-78.

14. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Роль аборигенной микрофлоры в биодеградации нефтяных углеводородов в водных техногенных экосистемах // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения К.В. Горбунова «Фундаментальные аспекты биологии в решении актуальных экологических проблем», Астрахань, 2008. -с.39-43.

16. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Перспективные направления эффективной очистки токсичных сточных вод // Бюллетень Московского общества испытателей природы, отдел биологический, том 114, вып. 3; Приложение 1, часть 1, Москва, 2009. - с. 183-186.

17. Гальперина А.Р. Аборигенная микрофлора как перспективный объект экологических биотехнологий // Материалы Всероссийского

симпозиума с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов», Москва, 2009. - с.213.

18. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р. Разработка технологии биоремедиации замазученных сточных вод // Материалы Международной научной конференции Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ - 2010», Астрахань, 2010. - с.102-104.

19. Сопрунова О.Б., Гальперина А.Р., Нгуен Виет Тиен Перспективы аборигенной микрофлоры в детоксикации и очистке нефтесодержащих отходов // Материалы 1-й научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа», Астрахань: Изд-во АГТУ, 2010. - с. 184.

20. Гальперина А.Р. Разработка приемов биоремедиации сточных вод с остаточной замазученностью // Юг России: экология, развитие, 2010. -№4.-с.109-112.

21. Гальперина А.Р. Аборигенные микроорганизмы замазученных сточных вод как основа экологических биотехнологий // «Известия Самарского научного центра Российской академии наук», 2011. Т.13, № 5(3).-с. 132-135.

Подписано в печать 20.12.2011 Тираж 100 экз. Заказ № 907 Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО «АГТУ» 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16ж, тел. 8(8512) 61-45-23

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гальперина, Алина Равильевна, Уфа

61 12-3/431

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

п //

ГАЛЬПЕРИНА АЛИНА РАВИЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ПРИЕМОВ БИОРЕМЕДИАЦИИ ЗАМАЗУЧЕННЫХ

СТОЧНЫХ ВОД

03.02.08 Экология (биологические науки) 03.01.06 Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор О.Б. Сопрунова

Уфа-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ 8

1.1. Пути попадания нефтяных углеводородов в водные объекты 8

1.2. Влияние нефтяных углеводородов на гидрохимический и гидробиологический режимы водоемов 15

1.3. Самоочищение водоемов от нефти и нефтепродуктов 20

1.4. Особенности очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов 32 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45

2.1. Объекты исследований 45

2.2. Методы исследований 45

2.2.1. Экспериментальные исследования по изучению роли циано-бактериальных сообществ в процессах очистки замазученных 46 сточных вод

2.2.2. Моделирование комплексной очистки замазученных сточных вод 47

2.2.3. Химические методы исследований 48

2.2.4. Гидробиологические методы исследований 50

2.2.5. Микробиологические методы исследований 51

2.2.6. Токсикологические методы исследований 52

2.2.7. Статистические методы исследований 52 ГЛАВА 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ 53

3.1. Гидрохимические показатели замазученных сточных вод ре- 55 зервуара-накопителя

3.2. Токсикологические показатели замазученных сточных вод 57

3.3. Микробиологические показатели замазученных сточных вод 63

резервуара-накопителя

3.3.1. Гетеротрофная микробиота замазученных сточных вод 64

3.3.2. Циано-бактериальные сообщества замазученных сточных 66 вод

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ЗАМАЗУЧЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД 70

4.1. Иммобилизация культур циано-бактериальных сообществ 74

4.2. Экспериментальные исследования по изучению роли циано-бактериальных сообществ в процессах очистки замазученных 76 сточных вод

4.2.1. Химические показатели воды экспериментальных экосистем 77

4.2.2. Микробиологические показатели экспериментальных микроэкосистем 86

4.2.3. Биотестирование воды экспериментальных экосистем 101

4.3. Моделирование комплексной очистки замазученных сточных

вод 102

4.3.1. Характеристика циано-бактериальных сообществ и высших водных растений, используемых в эксперименте 103

4.3.2. Химические показатели экспериментальных экосистем 109

4.3.3. Микробиологические показатели экспериментальных экосистем 118

4.3.4. Биотестирование воды экспериментальных экосистем 135 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144 ВЫВОДЫ 146 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 148

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БПК - биологическое потребление кислорода

ВВР - высшая водная растительность

КОЕ - колониеобразующая единица

НУВ - нефтяные углеводороды

ПАУ - полиароматические нефтяные углеводороды

РОВ - растворенное органическое вещество

СВ - сточные воды

СНУ - суммарные нефтяные углеводороды УВ - углеводороды

ХПК - химическое потребление кислорода ЦБС — циано-бактериальные сообщества

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одними из приоритетных загрязнителей природных и сточных вод являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, бензина, керосина, масел и их различных примесей, которые по данным ЮНЕСКО относятся к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей природной среды вследствие своей высокой токсичности и широкой распространенности (Оспанова, Хантурин, 2010).

Развитие экономики Астраханской области в последние десятилетия связано с интенсификацией деятельности предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, для которых характерно образование значительного количества нефтесодержащих отходов - сточных вод, нефтешламов. В настоящее время на территории Астраханской области имеется более 10 резервуаров-накопителей, содержащих около 350 тыс. тонн высокотоксичных нефте- и мазутсодержащих сточных вод. В то же время, на территории области недостаточно предприятий, занимающихся очисткой и утилизацией высокотоксичных сточных вод и рекультивацией накопителей сточных вод.

В связи с этим, необходима разработка действенных мер по разрешению сложившейся ситуации в области экологически безопасного обезвреживания промышленных стоков предприятий хранения и распределения нефтепродуктов.

Продукты переработки нефти, такие как мазут, битум, асфальт, минеральные масла, получаемые из тяжелых нефтяных фракций, и являющиеся биологически «жесткими» нефтепродуктами (Поконова, 1992; Турковская, 2001), представляют особую проблему для биологического разрушения. Несмотря на то, что исследованиям данного вопроса в последнее время посвящено достаточно много работ (Поконова, 1992; Грищенков, 1997; Карпов, 1998; Сидоров, 1998 Турковская, 2001; Янкевич, 2002; Сопрунова, 2005; Ай-Ьо^отагто, 1991; ЯоЕГеу, 1991; РЬо1, 2002),

остаются мало изученными вопросы, связанные с разработкой методов детоксикации и очистки сточных вод, содержащих остатки мазута.

Целью диссертационной работы являлась разработка приемов биоремедиации замазученных сточных вод, образующихся при обезвоживании товарного мазута.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить гидрохимические показатели жидких замазученных сточных вод резервуара-накопителя.

2. Выявить гетеротрофные (органотрофные) и фототрофные микроорганизмы сточных вод.

3. Изучить роль циано-бактериальных сообществ (аборигенных, коллекционных) в процессах очистки сточных вод.

4. Смоделировать комплексную многоступенчатую очистку замазученных сточных вод.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные (гидрохимические, гидробиологические и микробиологические) исследования резервуара-накопителя замазученных сточных вод, образующихся при обезвоживании мазута. Установлено, что в сточной воде резервуара-накопителя, представляющего собой экстремальную водную экосистему, характеризующуюся высоким содержанием органического вещества, нефтяных углеводородов и токсичностью, присутствуют представители различных физиологических групп микроорганизмов (протео-, углевод- и липолитические, автохтонные), осуществляющие процессы трансформации загрязняющих веществ сточных вод.

Из замазученных сточных вод резервуара-накопителя получена накопительная культура циано-бактериального сообщества, эдификаторами которой являются цианобактерии: нитчатые Oscillatoria Woronichinii и одноклеточные Synechocystis salina.

Для моделирования процессов очистки замазученных сточных вод использованы циано-бактериальные сообщества: коллекционное на основе

Oscillatoria amphibia и аборигенное на основе Oscillatoria Woronichinii и Sinechocystis salina.

Практическая значимость. Полученные результаты гидрохимических и микробиологических исследований замазученных сточных вод вошли в научно-технический отчет «Разработка концепции санации и рекультивации резевуара-накопителя замазученных сточных вод» (договор № 215-2007).

Полученные на основе проведенных комплексных исследований (гидрохимических, гидробиологических, микробиологических, токсикологических) замазученных сточных вод резервуара-накопителя результаты могут служить основой для последующих экологических исследований подобного рода сооружений.

Проведенные экспериментальные исследования по моделированию процессов очистки замазученных сточных вод с использованием альго-бактериальных биоценозов на основе цианобактерий Oscillatoria Woronichinii, Sinechocystis salina и на основе Oscillatoria amphibia и высших водных растений (валлиснерия спиральная Vallisneria spiralis; элодея канадская Elodea canadensis; ряска малая Lemna minor) являются основой для разработки технологии биоремедиации и рекультивации водоемов-накопителей нефтезагрязненных стоков Астраханской области. Выделенное циано-бактериальное сообщество на основе Oscillatoria Woronichinii, Sinechocystis salina помещено в коллекцию кафедры «Прикладная биология и микробиология» Астраханского государственного технического университета и используется в научно-исследовательских и учебных целях.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

1.1. Пути попадания нефтяных углеводородов в водные объекты

В.И. Вернадский отмечал (1940), что нефтяные углеводороды (НУВ) являются частью глобальной системы круговорота углерода в земной коре. При этом, к основным источникам, синтезируемых УВ, относятся все растения, животные и микроорганизмы суши и океана. Благодаря специфике современного биосинтеза, происходит в основном образование алифатических УВ. По вопросу биосинтеза полициклических ароматических У В единого мнения нет, а их концентрации в природных объектах в среднем в тысячу раз ниже, чем алифатических УВ (Немировская, 2000).

Состав У В различается в зависимости от источников их поступления: алканы фитопланктона и фитобентоса характеризуются преобладанием н-Сп, Н-С18 и Н-С19, £18-3,6,9,12,15,18-генейкозанексана, гопана, среди изо-соединений - пристана и фитана; микробиальные - доминированием Н-С16 и Н-С20-С25, при этом отношение нечетных алканов к четным (индекс СР1) находится в пределах 1; терригенные - доминированием высокомолекулярных нечетных гомологов (СР1>1). В составе незамещенных биогенных ПАУ преобладают фенантрен и хризен (Немировская, 2000). Имеются данные, что живое вещество Земли генерирует ежегодно 100 млн. т. УВ. В Мировом океане путем фотосинтеза продуцируется 3-12 млн. т. УВ (Миронов, 1985; Немировская, 2000).

Общее поступление нефтяных УВ в водную среду оценивается от 1,7 до 8,6 млн. тонн в год. При этом отмечается тенденция к уменьшению поступления нефти в Мировой океан из антропогенных источников - с 6,1 до 2,35 млн. тонн в год - за счет снижения сбросов промывочных и балластовых вод (Немировская, 2000). Объем ежегодного поступления антропогенных УВ во многом зависит от количества аварийных разливов, хотя на их долю

приходится в среднем всего около 6 % от общего поступления этих поллютантов.

Имеются данные (Немировская, 2000), что синтез УВ водными организмами несколько превышает суммарный объем их ежегодного поступления в Мировой океан за счет антропогенной деятельности. При этом наблюдается не только количественные, но и качественные различия УВ, поступающих из этих источников. Кроме того, биосинтез УВ происходит достаточно медленно и скорость их образования соизмерима со скоростью их утилизации. Антропогенные УВ, напротив, поступают в короткий период времени и локально, что приводит к негативным последствиям, нарушающим естественный круговорот этих соединений в воде (Немировская, 2000).

Сырая нефть, являющаяся смесью химических веществ, и содержащая сотни компонентов, образовалась в результате длительного теплового, бактериологического и химического воздействия на органические остатки растительных и животных организмов, сложная химическая природа которых предопределяет различия компонентного состава нефтей различных месторождений. Среди остальных компонентов сырых нефтей доминируют нефтяные углеводороды (НУ), доля которых составляет 50-98%. В составе этих соединений преобладают алканы, нафтеновые и ароматические соединения, некоторые из них близки современным биосинтезированным УВ. Кроме этого в нефти в наибольших количествах содержатся сера (до 4 %), азот (1 %) и кислород (в несколько меньших количествах). Эти добавочные элементы обычно входят в состав молекул углеводорода (Пиковский, 1993).

Нефть попадает в водную среду из самых различных источников. Еще до широкого использования нефти человеком она в малых концентрациях постоянно присутствовала в водах Мирового океана. Подсчитано, что ежегодно в моря поступает до 12 млн. т. углеводородов при естественных выходах нефти и газа на морском дне или побережье (Квасников, Клюшникова, 1981). В проливе Санта-Барбара (Калифорния) на участке протяженностью

около 1,5 км ежедневно высачивается 10-15 т нефти. Здесь обнаружены полужидкие нефтяные комки и их прослойки в вертикальном разрезе донных осадков до 2 м (Немировская , 2008).

В будущем возможно увеличение поступления УВ за счет антропогенной деятельности в связи со стремительным увеличением добычи нефти на континентальном шельфе - части морского дна, примыкающей к суше. В частности, при бурении скважины глубиной до 4 км вырабатывается приблизи-

3 3

тельно 500 м шлама и около 6000 м жидких отходов (Давыдова, Талгасов, 2004). При разработке подводных месторождений всегда могут иметь место утечки нефти и иногда, особенно при авариях, - в больших размерах. Так, при аварии на платформе в Мексиканском заливе, с 20 апреля по 16 июля 2010 г. в воды залива вылилось 4,9 млн. баррелей нефти (более половины кубического километра). Нефтяное пятно составляло 965 км в окружности, загрязнено 260 км побережья.

Транспорт и переработка нефти также довольно часто сопровождаются значительными потерями. После катастрофы танкера «Торри Каньон» в 1967 г. в море вылилось 117 тыс. т. кувейтской сырой нефти, а авария танкера «Exxon Valdez» в море Бофорта в 1989 г. привела к выбросу 47 тыс. т. нефти. При крушении танкера «Erika» в 1999 г. в море вылилось 20 тыс. т. нефти. Авария танкера «Престиж» в декабре 2002 г. привела к выбросу в море около 77 тыс. т. мазута. В ноябре 2007 года произошла авария танкера в Керченском проливе. В море попало 2 тыс. т мазута. При мелких авариях, которые происходят ежедневно, в море выливаются тысячи и десятки тысяч тонн нефти (Квасников, Клюшникова, 1981; Немировская, 2008).

Причиной значительного загрязнения рек и озер нефтью часто является неправильная эксплуатация очистных сооружений, их конструктивные и строительные недостатки (Морозов и др., 1969). Нефть попадает в реки в результате аварий на различных сооружениях по добыче, транспортировке, хранению и переработке нефти (Квасников, Клюшникова, 1981).

Нефтяные углеводороды по токсичности можно распределить в таком порядке: к числу наиболее токсичных относятся ароматические УВ, менее токсичны циклопарафины, еще менее - олефины и последнее место в этом ряду занимают парафины (Квасников, Клюшникова, 1981)

Ароматические УВ - наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1 % в воде они убивают все водные растения. Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое воздействие на организмы чем полициклические ароматические УВ, которые медленнее проникают через мембраны клеток. Однако, в целом, полициклические ароматические УВ действуют более длительное время, являясь хроническими токсикантами.

Ароматические УВ трудно поддаются разрушению. Экспериментально показано, что главным фактором деградации полициклических ароматических УВ в окружающей среде, в особенности в воде, является фотолиз, инициированный ультрафиолетовым излучением. Ароматические углеводороды по свойствам сильно отличаются от циклопарафинов. Эти различия определяются характером связей. Бензол - простейший ароматический углеводород и его производные преобладают в легкокипящих нефтяных фракциях; в высококипящих фракциях содержатся полициклические ароматические углеводороды. Ароматические углеводороды менее распространены в нефти.

Циклопарафины (нафтены) составляют 30-60 % общего состава сырой нефти. Большинство из них являются моноциклическими. Однако во фракциях, кипящих при высоких температурах, обнаружены соединения, содержащие 6 и более колец. Наиболее часто можно обнаружить циклопентан и циклогексан, а некоторые из них имеют боковые цепи, состоящие из алканов. Углеводороды этой группы, содержащие более 13 атомов углерода, имеют би- и полициклические ядра.

Метановые УВ (парафины) оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные

алканы с короткой углеводородной цепью. Они лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазматические мембраны организма. Большинством микроорганизмов нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, не ассимилируются, хотя и могут быть окислены. Вследствие летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных алканов их действие обычно не бывает долговременным.

Метановые УВ с температурой кипения выше 200 °С практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у УВ с низкомолекулярной структурой. Содержание твердых метановых УВ (парафинов) в нефти - важная характеристика при изучении нефтяных разливов. Парафины не токсичны для живых организмов и в условиях земной поверхности переходят в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Алканы ассимилируются многими микроорганизмами (дрожжи, грибы, бактерии). Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе (Другов, 2000).

Гораздо